上向进路充填采矿法在极软破水下矿体开采中的应用

王莉，梁新民，谢经鹏，张永达

（北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083）

上向进路充填采矿法在极软破水下矿体开采中的应用

王莉，梁新民，谢经鹏，张永达

（北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083）

矿产资源的开采逐步转向复杂难采矿体，赋存条件复杂，开采难度大。某铁矿位于季节性河流下，且矿岩破碎。为控制地表沉降变形，采用机械化上向进路充填采矿法，详细介绍回采工艺，并在细节上提出改进方案。生产实践表明，该方法安全、高效、低贫损，实现了极软破水下矿体的安全高效开采，对类似矿山有一定的借鉴意义。

“三下”矿体；软破矿体；上向进路采矿；胶结充填

矿产资源是我国国民经济发展的重要物质基础，矿产资源的勘探、开发和利用是国民经济重要基础产业之一［1］。随着采矿技术和机械化程度的提高，采矿强度不断增大，矿产资源的开采逐渐转向复杂难采矿体，包括“三下”矿体、矿岩松软破碎及其他工程地质复杂矿体、空间复杂多变难采矿体、残留矿体（民采残留和境界外矿体等）、露天矿山深部矿体等［2］。如：山东黄金三山岛金矿新立矿区海底矿床［3］，武钢金山店铁矿及程潮铁矿深部破碎矿体［4－5］，北京首云铁矿露天转地下矿体［6］等开采条件复杂，开采难度大，如何实现这类矿体的安全高效开采是矿山工作者和科研单位的努力方向。本文针对某铁矿河流下极软破矿体，对其采矿工艺展开详细论述。

1 开采技术条件

1.1 工程概况

某铁矿位于山东省境内，主矿体位于矿床北部17～8线，严格受石炭系与奥陶系假整合面控制，似层状产出。矿体赋存标高－34～－200m，总体走向N45°E，倾向135°，倾角5°～20°，走向长920m，厚度变化大，变化范围为1.23～40.16m，平均厚度14.35m，矿石品位47.66%。金属矿物主要为磁铁矿，次为赤铁矿，脉石矿物主要为蛇纹石、方解石、绿泥石等。

矿床顶板围岩主要为石炭系板岩、角岩，普氏硬度系数f＝6～10，局部1～2，稳定性差。底板围岩为奥陶系大理岩、透辉石矽卡岩、闪长岩及蚀变闪长岩等，局部泥质裂隙发育，易破碎、不稳固。矿区地表有村庄且季节性河流流经，该河流为源短流急的间歇性河流，全长46km，历年最大洪峰流量为180.6m3/s。

1.2 开采技术难点

1）矿体开采技术条件复杂，矿岩极为软破，遇水易泥化，特别是上下盘局部围岩f＝1～2，稳定性极差，巷道掘进及维护难度大。巷道、回采进路片帮、冒落现象严重，严重制约矿山持续生产。

2）矿区地表为村庄、河流，采区范围内不允许地表陷落和移动，决定了必须采用充填采矿控制地表沉降变形。

3）矿体厚度变化大，薄矿脉开采时大型设备作业空间受到限制，需削掉部分围岩，增加工程量，且易造成矿石贫化。

总之，矿体埋藏深、地压大、矿岩软弱破碎、难掘难支，属于极软破“三下”复杂难采矿体，其开采难度在国内外地下矿山罕见。

2 机械化上向进路充填采矿法

根据矿体赋存条件，若继续沿用无底柱分段崩落法，不仅贫化损失大，最重要的是地表产生较大的沉降变形。为控制地表沉降和岩层移动，保护地表河流村庄，通过借鉴国内外“三下”矿山开采经验，结合该矿自身开采技术条件，经过高校专家理论论证和现场试验，决定采用机械化上向进路充填采矿法进行回采。

2.1 采矿方法特点

进路充填采矿法和分层充填采矿法工艺相似，只是为提高回采的安全性，减小采场跨度，将分层划分为若干进路进行回采。机械化上向进路充填自下而上分层回采，以分层全高沿矿体走向或垂直走向划分进路，顺序或间隔回采，每条进路回采结束后随即进行充填。整层回采充填结束后升层进行上一分层的回采［7］。充填体作为一期回采时的底板，又是二期进路回采时支撑顶板的人工矿柱［8］。

1）机械化。凿岩台车、装药台车、锚杆台车、电动铲运机等无轨设备得到普遍应用。无轨设备增加作业的机动灵活性，使凿岩、装药、支护、出矿效率大大提高。

2）上向进路。自下而上巷道式采矿，人和无轨设备在充填体上作业，要求有足够强度。充填体作为二步采的人工矿柱支撑顶板，要求进路充填接顶。

2.2 适用条件

进路充填法适用于矿岩条件极不稳固和不稳固矿体，且矿体品位高，经济价值大。矿体厚度从薄到极厚，倾角从缓到急倾斜均可采用［7］。

2.3 应用现状

随着国家对矿山安全环保要求的提高，对不可再生资源的日益重视，充填采矿在矿山中所占比例不断扩大。机械化上向进路充填采矿法作为安全、高回收、低贫化的采矿方法在不稳固矿体开采中得到广泛应用。某铁锌矿位于河流、公路下，裂隙发育、矿岩破碎，采用上向进路充填法代替无底柱分段崩落法，采场生产能力180t/d，损失率4.0%，贫化率6.0%［9］。三山岛金矿新立矿区采用机械化盘区上向高分层宽进路充填采矿法，盘区生产能力300t/d，损失率4.85%，贫化率5.43%［10］。小铁山铅锌矿地质条件复杂、矿岩不稳固，地压活动频繁，采用上向进路式胶结充填采矿法，采场生产能力215t/d，损失率8%，贫化率10%［11］。

3 回采方案设计

3.1 采场布置及结构参数

矿块沿矿体走向布置，矿块长60m。阶段高50 m，底柱高8m，划分3个分段，分段高14m，每个分段分为4个分层回采。沿矿体走向每120m留5m宽连续实体矿柱。进路垂直矿体走向布置，每个矿块布置15条进路，进路尺寸4m×3.5m（宽×高），进路坡度为零。

3.2 采切工程布置

采用下盘脉外分段巷道、沿脉分层进路联巷、脉外溜井加联络道的采准方式。主要采准工程有分段巷道、分层联络道、分层进路联巷、溜井、回风天井等。矿体下盘脉外沿走向布置分段巷道，通过采区斜坡道使其与上下分段联通。从分段巷道向回采矿块掘进分层联络道，沿矿体下盘掘进分层进路联巷。溜井、回风充填天井一般都布置在脉外下盘，溜井上口铺设工字钢做成的网状隔筛，避免大块矿石放出。主要采切工程规格见表1。

表1 主要采切工程规格Table 1 Main preparation and cut engineering specifications

3.3 分层回采顺序

矿块回采自下而上逐层进行，每一层进路连续回采，同一矿块进路间隔回采。每个矿块15条进路分3组，每组5条共用一套采装运设备。采用“隔一采一”的回采顺序，每组进路保证至少有一条进行回采。上下层进路间尽量错开，提高充填体的支撑性能。整层回采充填结束后，采取分层联络道压顶的方式实现升层，转入上一分层的回采。5条进路采充顺序如图1所示。

图1 进路采充顺序示意图Fig.1 Cutting and filling sequence of drift

3.4 凿岩、爆破与采场通风

凿岩采用7655型凿岩机，六角中空型钎杆，一字型钻头，孔径45mm，孔深2.7m，循环进尺2.5 m。采用硝铵炸药，非电雷管起爆。主要材料消耗见表2。

表2 主要材料消耗Table 2 Main materials consumption

新鲜风流由分段巷道经过分层联络巷进入采场工作面，污风由充填回风天井、上中段回风联络道经回风井排出地表。对于独头巷道和通风不良的采矿进路可以架设局扇辅助通风。

3.5 矿石运搬

出矿采用Atlas Copco公司生产的EST－3.5型电动铲运机，斗容2.5m3。铲运机在出矿进路铲出矿石，经分层联络巷、分段巷道倒入矿石溜井，溜放至中段运输水平装入矿车，通过架线式电机车牵引运到主井矿仓提升至地表。

3.6 采场充填

进路回采结束且清底完成后即可进行充填准备工作，包括架设滤水管、充填管，构筑木质充填挡墙。采用高强度分级尾砂胶结充填，胶结材料为胶固粉，灰砂比1︰8，料浆浓度65%～70%，充填体强度2.0～2.5MPa。为使充填料浆充分脱水沉淀，保证充填施工的安全及充填效果，每条进路分3步充填。

3.7 进路支护

矿区矿岩软破，围岩自承能力低，巷道自稳性差，为防止冒顶、片帮，确保作业人员安全，采场内100%的井巷、进路都进行支护，90%以上为锚喷网支护，且必须进行一掘一支，凿岩、爆破、出渣、支护为一个循环。锚喷网支护用螺旋钢压托盘，片网、树脂锚杆，锚距800mm×1 000mm，顺巷道方向为1 000mm，环巷道方向为800mm。片网用铁丝搭接，搭接长度不小于200mm，喷层厚100mm。

4 存在的问题及改进方案

机械化上向进路充填采矿法在开采不稳固矿体中表现出明显优势，具有高安全性、高回收、低贫化等显著特点，但在实际生产应用中仍存在一些需要改进的问题，通过借鉴其他类似矿山成功经验，找到改进方案。

1）水平进路难以保证充填接顶率，充填体不能发挥人工矿柱作用支撑顶板，安全性能大大降低。若进路以3%～5%的坡度进行回采，充填时可以利用充填料浆的自流性，使其充满空区［12］。

2）上向采矿回采过程中，矿石直接落在充填体上。铲运机出矿过程中难免将充填体一起铲出，造成连续贫化。出矿时底板留0.2m厚的矿石作为垫层，待整条进路回采结束后最终清除，可避免矿石的连续贫化。

图2 脊部损失图Fig.2Sketch diagram of ridge loss

图3 现场脊部损失图Fig.3 Site image of ridge loss

3）三心拱进路断面，回采充填结束后，相邻的进路间脊部会存在部分矿体无法采出，永久损失在地下。整条进路回采结束后，打斜上向炮孔对脊部矿体作最终处理，清理完毕后进行接顶充填。

4）在实际生产过程中，各个进路采充衔接不连续，出现待充填进路过于集中或过于分散的现象，严重制约矿山持续生产。现场生产管理人员要完善采掘计划，加强组织管理，优化各个采场的采充顺序。

5 主要技术经济指标

机械化上向进路采矿在该矿得到全面推广使用，取得巨大成功，实现了水体下极软破矿体的安全高效开采，经济效果显著。经过生产统计得出其主要技术经济指标，见表3。

表3 主要技术经济指标Table 3 Main technical and economical indicators

6 结论

1）某铁矿位于季节性河床下，矿岩极为软破，自承能力低，开采难度大。采用机械化上向进路充填采矿法采矿可以有效控制岩层移动和地表沉降，有效保护地表河流和村庄。

2）机械化程度的提高，特别是无轨设备的使用可以增加作业的机动灵活性，生产效率大大提升。进路式采矿可以减小采场顶板暴露面积，大大提高软弱破碎矿体的开采安全性。采场生产能力150t/d，回收率90%，贫化率8%，实现了极软破高品位矿体的安全高效开采，经济效益显著。

3）采用高强度分级尾砂胶结充填，胶固粉作为胶结剂，灰砂比1︰8，料浆浓度65%～70%，充填体强度2.0～2.5MPa，能够满足上向进路采矿的强度要求。

4）机械化上向进路充填采矿法为全矿的主导采矿方法，但在充填接顶、出矿连续贫化、脊部损失、采充顺序等细节上有待改进。

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Application of upward drift mining with backfilling in exploiting of soft and crack underwater orebody

WANG Li，LIANG Xinmin，XIE Jingpeng，ZHANG Yongda
（School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

The exploitation of mineral resources turns to complex orebody gradually.The deposit’s occurrence condition is complicated and it is hard to exploit.An iron mine is under a seasonal river and the deposit is crack.In order to control the surface subsidence，mechanization upward drift mining is used.The mining technology is introduced and the improvement plan is brought out in details.Processing practice indicates that this method is safe，efficient with low dilution and loss.The safe and efficient exploitation is realized in soft and crack underwater orebody，which has certain reference meaning for similar mines.

“under－three－objects”orebody；soft and crack orebody；upward drift mining；cemented filling

TD853.34＋.3

Α

1671－4172（2015）05－0010－04

王莉（1987－），男，硕士研究生，矿业工程专业，主要从事金属矿山采矿工艺研究。

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.05.003